雷擊浪涌試驗(yàn)的最大特點(diǎn)是能量特別大。所以采用普通濾波器和鐵氧體磁芯來(lái)濾波、吸收的方案基本無(wú)效;必須使用氣體放電管、壓敏電阻、硅瞬變電壓吸收二極管和半導(dǎo)體放電管等專門的浪涌抑制器件才行。浪涌抑制器件的一個(gè)共同特性就是阻抗在有浪涌電壓與沒(méi)浪涌電壓時(shí)不同。正常電壓下,它的阻抗很高,對(duì)電路的工作沒(méi)有影響;當(dāng)有很高的浪涌電壓加在它上面時(shí),它的阻抗變得很低,將浪涌能量旁路掉。這類器件的使用方法是并聯(lián)在線路與參考地之間,當(dāng)浪涌電壓出現(xiàn)時(shí),迅速導(dǎo)通,以將電壓幅度限制在一定的值上壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管和氣體放電管具有不同的伏安特性,因此浪涌通過(guò)它們時(shí)發(fā)生的變化不同.
1. 壓敏電阻
當(dāng)壓敏電阻上的電壓超過(guò)一定幅度時(shí),電阻的阻值大幅度降低,從而浪涌能量泄放掉。
在浪涌電壓作用下,導(dǎo)通后的壓敏電阻上的電壓(一般稱為鉗位電壓),等于流過(guò)壓敏電阻的電流乘以壓敏電阻的阻值,因此在浪涌電流的峰值處鉗位電壓達(dá)到最高。
(1)優(yōu)點(diǎn):峰值電流承受能力較大,價(jià)格低。
(2)缺點(diǎn):鉗位電壓較高(取決于最大浪涌電流),一般可以達(dá)到工作電壓的2~3倍,因此電路必須能承受這么高的浪涌電壓。
另外,壓敏電阻隨著受到浪涌沖擊次數(shù)的增加,漏電流增加。
如果在交流電源線上應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致漏電流超過(guò)安全規(guī)定的現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí),壓敏電阻會(huì)因過(guò)熱而爆炸。
壓敏電阻的其他缺點(diǎn)還有:響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),寄生電容較大。
(3)適用場(chǎng)合:直流電源線、低頻信號(hào)線,或者與氣體放電管串聯(lián)起來(lái)用在交流電源線上。
2. 瞬態(tài)抑制二極管(TVS)
當(dāng)TVS上的電壓超過(guò)一定幅度時(shí),器件迅速導(dǎo)通,從而將浪涌能量泄放掉。
由于這類器件導(dǎo)通后阻抗很小,因此它的鉗位電壓很平坦,并且很接近工作電壓。
(1 )優(yōu)點(diǎn):響應(yīng)時(shí)間短,鉗位電壓低(相對(duì)于工作電壓)。
(2 )缺點(diǎn):由于所有功率都耗散在二極管的PN 結(jié)上,因此它所承受的功率值較小,允許流過(guò)的電流較小。
一般的TVS 器件的寄生電容較大,如在高速數(shù)據(jù)線上使用,要用特制的低電容器件,但是低電容器件的額定功率往往較小。
(3 )適用場(chǎng)合:浪涌能量較小的場(chǎng)合。如果浪涌能量較大,要與其他大功率浪涌抑制器件一同使用,TVS 作為后級(jí)防護(hù)。
3.氣體放電管
當(dāng)氣體放電管上的電壓超過(guò)一定幅度時(shí),器件變?yōu)槎搪窢顟B(tài),阻抗幾乎為零。
這種導(dǎo)通原理與控制感性負(fù)載的開關(guān)觸點(diǎn)被擊穿的原理相同,只是這里兩個(gè)觸點(diǎn)之間的距離和氣體環(huán)境是控制好的,可使擊穿電壓為一個(gè)確定值。
氣體放電管一旦導(dǎo)通后,它上面的電壓會(huì)很低。
(1)優(yōu)點(diǎn):承受電流大,寄生電容小。
(2)缺點(diǎn):響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。
另外,由于維持它導(dǎo)通所需要的電壓很低,因此當(dāng)浪涌電壓過(guò)后,只要加在氣體放電管上的電壓高于維持電壓,它就會(huì)保持導(dǎo)通。在交流場(chǎng)合應(yīng)用時(shí),只有當(dāng)交流電過(guò)零點(diǎn)時(shí),它才會(huì)斷開,因此會(huì)有一定的慣用電流。
由于跟隨電流的時(shí)間較長(zhǎng),會(huì)導(dǎo)致放電管觸點(diǎn)迅速燒毀,從而縮短放電管的壽命。
(3)適用場(chǎng)合:信號(hào)線或工作電壓低于導(dǎo)通維持電壓的直流電源線上(一般低于10V);與壓敏電阻組合起來(lái)用在交流電源線上。
4. 氣體放電管和壓敏電阻組合應(yīng)用
氣體放電管和壓敏電阻都不適合單獨(dú)在交流電源線上使用:
氣體放電管的問(wèn)題是它的電流效應(yīng)。
壓敏電阻的問(wèn)題是隨著受浪涌作用的次數(shù)增加交流漏電流增加。
一個(gè)實(shí)用的方案是將氣體放電管與壓敏電阻串聯(lián)起來(lái)使用。
如果同時(shí)在壓敏電阻上并聯(lián)一個(gè)電容,浪涌電壓到來(lái)時(shí),可以更快地將電壓加到氣體放電管上,縮短導(dǎo)通時(shí)間。
這種氣體放電管與壓敏電阻的組合除了可以避免上述缺點(diǎn)以外,還有一個(gè)好處就是可以降低限幅電壓值。在這里可以使用導(dǎo)通電壓較低(低于工作電壓)的壓敏電阻。從而可以降低限幅電壓值。
采用組合式保護(hù)方案能發(fā)揮不同保護(hù)器件的各自特點(diǎn),從而取得最好的保護(hù)效果。
浪涌經(jīng)過(guò)壓敏電阻和氣體放電管后,會(huì)殘留一個(gè)較窄的脈沖,這是由于氣體放電管導(dǎo)通點(diǎn)較高所致。
由于這個(gè)脈沖較窄,因此很容易用低通濾波器濾除。
實(shí)用的浪涌防護(hù)電路是在浪涌抑制器的后面加低通濾波器。
5. 地線反彈的抑制
當(dāng)并聯(lián)型的浪涌抑制器發(fā)揮作用時(shí),它將浪涌能量旁路到地線上。由于地線都是有一定阻的,因此當(dāng)電流流過(guò)地線時(shí),地線上會(huì)有電壓。這種現(xiàn)象一般稱為地線反彈。
地線反彈對(duì)設(shè)備的影響如下:
(1)浪涌抑制器的地與設(shè)備的地不在同一點(diǎn),設(shè)備的線路實(shí)際上沒(méi)有受到保護(hù),較高的浪源電壓仍然加到了設(shè)備電源線與地之間。
解決辦法是在線路與設(shè)備的外殼地之間再并聯(lián)一只浪涌抑制器。
(2)浪涌抑制器的地與設(shè)備的地在同一點(diǎn),這時(shí),該臺(tái)設(shè)備的線路與地之間沒(méi)有浪涌電壓,受到了保護(hù)。但是如果這個(gè)設(shè)備與其他設(shè)備連接在一起,另一臺(tái)設(shè)備就要承受共模電壓。這個(gè)共模電壓會(huì)出現(xiàn)在所有連接設(shè)備1與設(shè)備2的電纜上。
解決的方法:是在互連電纜的設(shè)備2一端安裝浪涌抑制器。
6. 浪涌抑制器件的正確使用
需要注意的是,浪涌抑制器件的壽命不是永久的,總會(huì)失效。
因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,應(yīng)該便于更換浪涌抑制器件。
并且,當(dāng)浪涌抑制器件失效時(shí),應(yīng)該有明顯的顯示,提醒維護(hù)人員進(jìn)行更換。
浪涌抑制器件的失效模式一般為短路,這可以稱為安全模式。
因?yàn)楫?dāng)浪涌抑制器短路時(shí),線路會(huì)出現(xiàn)故障,從而提醒維修人員更換浪涌抑制器。
但是,也有開路失效模式的可能性,這時(shí)往往會(huì)給設(shè)備帶來(lái)潛在危險(xiǎn):
因?yàn)樵O(shè)備會(huì)直接處于沒(méi)有保護(hù)的狀態(tài)下。